一种大功率调频调速异步牵引电机用铜合金导条和端环及其制备方法

摘要

本发明涉及一种大功率调频调速异步牵引电机用铜合金导条和端环及其制备方法。导条采用中频感应熔炼-半连铸-铸锭均匀化-热挤-在线淬火-冷拉-时效-机加工工艺制备，端环采用中频感应熔炼-半连铸-铸锭均匀化-锻造-强化固溶-冷镦-时效-机加工工艺制备。用于高速列车牵引电机的导条合金成份重量百分比为9-12％Zn，0.3-1％Cr，0.05-0.3％Zr，余量为铜和不可避免的杂质，其电阻率ρ150℃控制在(5.00±0.05)×10-6Ω.cm，350℃试验温度下sb≥320MPa、s0.2≥270MPa、d5≥10％；用于地铁、轻轨列车牵引电机的导条合金成份为0.5-3％Zn，0.3-1％Cr，0.05-0.3％Zr，余量为铜和不可避免的杂质，其电阻率ρ150℃控制在(3.45±0.05)×10-6Ω.cm，350℃试验温度下sb≥290MPa、s0.2≥240MPa、d5≥12％；牵引电机用端环铜合金成份为0.3-1％Cr，0.05-0.3％Zr，余量为铜和不可避免的杂质，其电阻率ρ150℃控制在(2.70±0.05)×10-6Ω·cm，350℃试验温度下sb≥260MPa、s0.2≥220MPa、d5≥12％。所发明的铜合金导条和端环成功地用来制造国产高速、地铁、轻轨和干线列车用大功率调频调速异步牵引电机。

权利要求

1.一种大功率调频调速异步牵引电机用铜合金导条的制备方法，其特征在于，包括中频感应熔炼-半连续铸造-铸锭均匀化-热挤-在线淬火-冷拉-校直-剪切-时效-机加工；所述的中频感应熔炼时待铜完全熔化后，降温到1150℃再将锌锭加入到铜熔体中；

所述的中频感应熔炼时铬以不大于5mm的颗粒用薄铜箔包裹，在1250℃下压入铜熔体中，锆以Cu-10Zr中间合金细丝的形式插入到结晶器上部的铜熔体中；所述的在线淬火温度不低于890℃；所述导条合金成份重量百分比为9-12％Zn，0.3-1％Cr，0.05-0.3％Zr，余量为铜和不可避免的杂质或者为0.5-3％Zn，0.3-1％Cr，0.05-0.3％Zr，余量为铜和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的大功率调频调速异步牵引电机用铜合金导条的制备方法，其特征在于，所述的时效温度为445℃-455℃，时效时间为4-6小时。

3.根据权利要求1所述的大功率调频调速异步牵引电机用铜合金导条的制备方法，其特征在于，所述的Cu-10Zr中间合金细丝的直径为6mm。

说明书

一种大功率调频调速异步牵引电机用铜合金导条和端环及

其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及高速列车、地铁列车、轻轨列车用大功率调频调速异步牵引电动机转子部件所需要的导条和端环的制备技术领域。

背景技术

[0002] 1999年，发明人在铁道部九·五攻关项目研究成功的基础上申报了一项“高速列车用大功率异步牵引电动机导条和护环”的发明专利，2003年正式授权(ZL99101984.9)。十年来，我国轨道交通事业飞速发展，高速列车的运营速度已经由当时设计的200km/h发展到目前的350km/h以上，高速列车、地铁列车和轻轨列车用大功率异步牵引电机从引进-消化走到了再创造，研制的大功率异步牵引电动机已经装备到国产高速列车、地铁列车和轻轨列车上。经过十年来的对比研究和开发，牵引电动机设计部门依据高速列车、地铁列车、轻轨列车不同的运行工况，对不同用途大功率调频调速异步牵引电机转子专用铜合金导条和端环分门别类提出了更实际和更具体的要求。因此，1999年申报的专利所描述的“高速列车用大功率异步牵引电动机导条和护环”除护环仍然可以满足新型牵引电机的要求外，导条和原来牵引电机转子用的T2纯铜端环已不适应新型牵引电机的设计要求，有必要对原专利进行修改和补充。本发明配合牵引电动机设计部门和电机制造商进行了攻关研究，获得了满意的使用效果，在此基础上申报“大功率调频调速异步牵引电机转子用铜合金导条和端环组件”发明专利。

发明内容

[0003] 本发明针对高速列车、地铁列车、轻轨列车用大功率调频调速异步牵引电机设计对转子铜合金导条和端环性能的不同要求，分门别类对牵引电机转子铜合金导条和端环合金材料成分、制备工艺进行了调整和改进，得到新成份的导条。与此同时，还发明了一种转子用铜合金端环代替原来的T2纯铜端环，以便铜合金鼠笼转子的电性能更容易调控。

[0004] 此外，还提供了上述导条和端环的制备方法。

[0005] 本发明的技术方案如下：牵引电机转子铜合金导条和端环成分设计①制造高速列车用大功率调频调速异步牵引电动机转子铜合金导条的合金成份的重量百分比为9-12％Zn，0.3-1％Cr，0.05-0.3％Zr，余量为铜和不可避免的杂质。

[0006] ②制造地铁、轻轨列车用大功率调频调速异步牵引电动机转子铜合金导条的合金成份的重量百分比为0.3-3％Zn，0.3-1％Cr，0.05-0.3％Zr，余量为铜和不可避免的杂质；③制造端环的铜合金成分的重量百分比为0.3-1％Cr，0.05-0.3％Zr，余量为铜和不可避免的杂质。

[0007] 上述牵引电机转子铜合金导条和端环制造工艺如下：配料-中频感应熔炼-半连续铸造-铸锭均匀化-热挤压-在线淬火-冷拉-校直-剪切-时效-机加工。

[0008] 导条铜合金中，锌主要起调整合金电阻率的作用，以满足牵引电机调频调速的需要，此外锌在铜合金中还有明显的固溶强化效果，有利于提高导条铜合金的高温强度。导条铜合金中的微量铬与锆在加工热处理过程中特别是时效沉淀过程中，将以纳米级粒子的形式在位错亚结构上沉淀，能显著提高合金抗软化温度，保证牵引电动机在350℃临界工作温度下的结构稳定性和安全性。工艺实施方面，为了使铜合金导条的电阻率ρ150℃可以稳定地控制在指定的误差范围内，本发明特别强调锌在熔体中的加入温度和添加方式，待铜完全熔化后，停电降温到1150℃左右再将锌锭加入到铜熔体中，这样可以减少锌的挥发损失以保证锌的含量控制在±0.3％(质量百分比)范围内。为了使微量铬和锆在合金中发挥时效沉淀的作用，首先要使铬和锆充分溶解到铜熔体中，铬以小于5mm的颗粒用薄铜箔包裹，在1250℃下压入铜熔体中，锆则以直径为6mm左右的Cu-10Zr中间合金细丝形式插入到结晶器上部的铜熔体中。这种独特的添加方式，显著减少了金属铬和锆的氧化，使铬和锆的收得率分别达到95％和90％。此外，还要注意铜合金导条的在线固溶温度不得低于890℃，以保证固溶后时效过程中铬和锆以纳米级粒子析出(图1)。时效温度为450℃±5℃，时效时间为4-6小时。

[0009] 上述大功率调频调速异步牵引电机转子端环按如下工艺制备：配料-中频感应熔炼-半连续铸造-铸锭均匀化-热锻-强化固溶-冷镦-时效-机加工。

[0010] 铬与锆在端环铜合金中的作用与它们在导条铜合金中的作用相类似，铬与锆在铜合金端环淬火后时效过程中铬以极细的铬粒子、锆则以微细铜锆化合物的形式析出起沉淀强化和提高抗高温软化的作用。应当指出，与铜合金导条制备过程中中的挤压-在线淬火工艺不同，铜合金端环制备过程中没有挤压-在线固溶-淬火而只有热锻-固溶-淬火，因此加工热处理过程中形成的位错亚结构相对较弱，必须增加两个措施，一方面采取强化固溶处理，即在保证合金晶粒不过份粗大的前提下尽可能把固溶处理温度提高到970℃±10℃，让微量铬和锆尽可能多的溶解到固溶体中时效后析出尽可能多的纳米级粒子；另一方面端环强化固溶后、时效处理前增加一道冷镦变形，通过形变热处理强化来提高端环的强度，时效温度为450℃±5℃，时效时间为4-6小时。

[0011] 本发明制造的导条和端环具有如下优点：发明人通过大量的试验探索，优选出合适的合金元素比例，以及对加工过程中温度和添加方式的改进，三者的结合使得本发明导条和端环具有优异的性能。

[0012] 对于高速列车牵引电机转子用铜合金导条，通过降低锌的含量和调整在线淬火工-6艺，合金的电阻率ρ150℃下降到(5.00±0.05)×10 Ω.cm，除导条的热加工性能和冷加工性能显著改善外，电机的电调控性能也得到改善，而350℃临界工作温度的高温强度仍然保持在350Mpa的高水平。

[0013] 对于地铁、轻轨列车牵引电机转子用铜合金导条，通过适当增加锌的含量和调整-6在线淬火工艺，合金的电阻率ρ150℃仍然稳定在(3.45±0.05)×10 Ω.cm，而350℃临界工作温度的高温强度提高到了290MPa。

[0014] 对于端环铜合金，合金的电阻率ρ150℃为(2.7±0.05)×10-6Ω.cm，相对于T2纯铜端环，铜合金端环与铜合金导条的电阻率差别减少，结果使得铜合金鼠笼转子的电导性能更加容易和整个电机的电控配合，350℃临界工作温度高温强度也显著高于先行使用的T2纯铜端环。

[0015] 本发明的铜合金导条和端环已经成功地用来制造国产高速列车、地铁列车、轻轨列车和干线列车动车组用大功率调频调速异步牵引电动机。

附图说明

[0016] 图1为牵引电机转子铜合金导条的显微组织。

[0017] a)形变热处理过程中形成的位错亚结构，b)时效过程中形成的含铬和锆的纳米级粒子。

具体实施方式

[0018] 以下结合实施例进一步说明本发明，而不是限制本发明。

[0019] 实施例1高速列车牵引电机转子用铜合金导条铜合金导条成分(质量百分比)：锌10.0％，铬0.5％，锆0.1％，余为铜，配料-中频感应熔炼-半连续铸造-铸锭均匀化-热挤压-890℃在线淬火-冷拉-校直-剪切-450℃/5h时效，待铜完全熔化后，降温到1150℃再将锌锭加入到铜熔体中；铬以小于5mm的颗粒用薄铜箔包裹，在1250℃下压入铜熔体中，锆则以直径为6mm左右的Cu-10Zr中间合金细丝形式插入到结晶器上部的铜熔体中。制备的导条的主要性能见表1。本发明铜合金导条已用于国产350km/h高速列车用大功率调频调速异步牵引电动机转子导条。结果表明，通过降低锌的含量和调整在线淬火工艺，合-6
金的电阻率ρ150℃下降到(5.02±0.05)×10 Ω.cm，除导条的热加工性能和冷加工性能显著改善外，电机的电调控性能也得到改善，而350℃临界工作温度的高温强度仍然保持在≥320Mpa的高水平。原发明指ZL99101984.9。(下同)
表1 本发明铜合金导条与原发明的性能比较

实施例2 地铁、轻轨列车牵引电机转子用铜合金导条铜合金成分(质量百分比)：锌
2.5％，铬0.5％，锆0.1％，余为铜，配料-中频感应熔炼-半连续铸造-铸锭均匀化-热挤压-900℃在线淬火-冷拉-校直-剪切-450℃/5h时效，待铜完全熔化后，降温到1150℃再将锌锭加入到铜熔体中；铬以小于5mm的颗粒用薄铜箔包裹，在1250℃下压入铜熔体中，锆则以Cu-10Zr中间合金细丝的形式插入到结晶器上部的铜熔体中。制备的导条的主要性能见表2，本发明铜合金导条已用于国产地铁列车、轻轨列车用300kw大功率调频调速异步牵引电动机转子导条。结果表明，通过适当增加锌的含量和调整在线淬火工艺，合金的电阻-6
率ρ150℃仍然稳定在(3.45±0.05)×10 Ω.cm，而350℃临界工作温度的高温强度提高到了290MPa。

[0020] 表2 本发明铜合金导条与原发明的性能比较实施例3 牵引电机转子用铜合金端环铜合金成分(质量百分比)：铬0.5％，锆0.1％，余为铜，配料-中频感应熔炼-半连续铸造-铸锭均匀化-锻造-970℃强化固溶-冷镦-450℃/5h时效，制备的铜合金端环主要性能见表3。本发明铜合金端环已用于国产高速列车、干线列车动车组、地铁列车、轻轨列车用大功率调频调速异步牵引电动机转子端环。
结果表明，相对于T2纯铜端环，铜合金端环与铜合金导条的电阻率差别减少，结果使得铜合金鼠笼转子的电导性能更加容易和整个电机的电控配合，350℃临界工作温度高温强度也显著高于先行使用的T2纯铜端环。

[0021] 表3 本 发 明 铜 合 金 端 环 与T2铜 端 环 的 性 能 比 较